Блок АЦП

Блок аналого-цифрового преобразователя функционально состоит из трех частей: собственно АЦП, входных делителей/повторителей и источника опорного напряжения (является общим для блоков АЦП и ЦАП).

По заданию устройство должно иметь 8 входных аналоговых каналов, рассчитанных на диапазон напряжений от 0 до 10 В, разрядность АЦП 10 бит. Поскольку требуется подключение ЦАП через интерфейс SPI, было решено использовать этот же интерфейс для подключения АЦП, что позволяет сократить число используемых портов ввода-вывода и число соединений, а также упростить программное обеспечение контроллера.

Исходя из этих соображений, был выбран АЦП TLV1548 фирмы Texas Instruments (DA6). Его структурная схема представлена на рисунке 5.

Рис. 4. Структурная схема АЦП TLV1548

Микросхема изготовлена по КМОП технологии, способна работать с частотами преобразования до 85 кГц, может питаться от источников однополярного напряжения в диапазоне от 2,7 до 5,5 В, имеет КМОП-совместимые логические уровни цифровой части.

Данный АЦП имеет 8 входных каналов, управляется через интерфейс SPI или подобный (стандартный SPI, SPI процессоров ЦОС TMS320, QSPI). Также есть несколько отдельных линий управления:

/CSTART – вход сигнала начала преобразования,

/INVCLK – вход переключения фазы тактового сигнала,

FS – вход сигнала тактирования кадров.

Последние два сигнала используются только при подключении АЦП к процессорам ЦОС и в разрабатываемом устройстве должны быть подключены к напряжению питания +5 В.

Интерфейс SPI использует четыре линии:

DATA IN (MOSI) – вход данных ведомого устройства,

DATA OUT (MISO) – выход данных ведомого устройства,

IOCLK (SCK) – сигнал тактирования битов,

/CS – сигнал выбора кристалла.

Эти линии подключаются к порту B микроконтроллера (выводы PB2, PB3, PB1, PB0 соответственно).

АЦП имеет вывод флага окончания преобразования EOC, который подключен к линии PB5, сигнал управления началом преобразования /CSTART подключен к линии PB4.

Конструктивно АЦП представляет собой аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения с ЦАП на переключаемых конденсаторах и имеет встроенное устройство выборки-хранения (УВХ).

Для нормального функционирования АЦП требует наличия источника опорного напряжения, о нем будет рассказано ниже.

Для согласования источников входных сигналов устройства и входов АЦП используются входные формирователи на элементах R6-R21, R26-R33, C1-C8, VD3-VD10, DA1, DA2.

Рассмотрим работу формирователя на примере 1го канала. Резисторы R1 и R14 образуют делитель напряжения с коэффициентом деления 2, что приводит входной диапазон 0-10 В к диапазону входных напряжений АЦП 0-5 В. Сопротивление резисторов выбрано равным 10 кОм. Совместно с конденсатором C1 они образуют фильтр низших частот, частота среза которого выбрана равной половине максимальной частоты преобразования АЦП, т.е. 42 кГц. Исходя из этого условия, номинал этого конденсатора равен:

Соответственно, выбрано ближайшее значение из стандартного ряда – 750 пФ.

Стабилитрон VD1, во-первых, защищает вход устройства от перенапряжений, а во-вторых, от приложения отрицательного напряжения. Исходя из этих соображений и выбранной схемотехники, был выбран стабилитрон BZX55-5V1 с напряжением стабилизации 5,1 В.

Ослабленный сигнал затем поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1.1, включенного повторителем. Это необходимо для согласования сопротивлений, а также для исключения влияния процессов заряда входной емкости УВХ АЦП на входное напряжение. С целью обеспечения устойчивости ОУ в момент начала преобразования, когда его выход подключается к разряженной емкости устройства выборки-хранения, между выходом ОУ и входом АЦП включен защитный резистор R26 сопротивлением 100 Ом.

В устройстве использованы прецизионные счетверенные ОУ OP4177 фирмы Analog Devices, характеризуемые низкими шумами, токами и напряжениями смещения, а также их температурными дрейфами и высоким входным сопротивлением (2 на 8 каналов).

Конденсаторы С15, С16, С20, С24 обеспечивают блокировку питания ОУ, а конденсаторы С25 и С28 блокировку опорного напряжения и напряжения питания АЦП соответственно.